Bevorzugte Infrarotwellenlängen für Komfortheizung

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Dr. Gerard McGranaghan 14. Oktober 2014 V1.1 CC11 - 00041

Einleitung

Bei diesem Dokument handelt es sich um eine kurze Übersicht über die Informationen zur Infrarotheizung von Menschen und Tieren, die normalerweise als Komfortheizung bezeichnet wird. Es erklärt die wissenschaftlichen Gründe für die Verwendung von mittel- und langwelliger Infrarotstrahlung für die Komfortheizung.

Infrarotstrahlung wird als Komfortheizung zur Beheizung von Mensch und Tier eingesetzt. Menschen und Tiere sind fast täglich über die Sonne Infrarot ausgesetzt und haben spezielle Mechanismen in ihrer Haut entwickelt, um den Nutzen dieser Quelle zu maximieren. Die Kenntnis dieser Mechanismen und Eigenschaften sollte bei der Auswahl des Heizgerätetyps für die Komfortheizung berücksichtigt werden. Trotz der hohen Intensität und der starken Heizwirkung von Kurzwellenheizungen werden in diesem Dokument die Nachteile und gesundheitlichen Probleme erläutert, die die Verwendung von Kurzwellenheizungen verursachen kann.

Hintergrund

Infrarot ist nicht ionisierende elektromagnetische Strahlung innerhalb der Wellenlängen von 780nm bis 1mm. Innerhalb dieses breiten Wellenbereichs wird es häufig weiter in drei Regionen unterteilt, IR-A, IR-B und IR-C, die wie folgt kategorisiert sind

  • IR-A: 700nm – 1400nm (0.7μm – 1.4μm)
  • IR-B: 1400nm – 3000nm (1.4μm – 3μm)
  • IR-C: 3000nm – 1mm (3μm – 1000μm)

Infrarotstrahlung bewirkt beim Auftreffen auf eine Oberfläche einen Erwärmungseffekt, bei Komforterwärmung ist dies normalerweise die Haut. Es wird jedoch nicht die gesamte Infrarotstrahlung in Wärme umgewandelt. Alle Infrarotstrahlung kann sein

  • Absorbiert
  • Übertragen
  • Reflektiert

Die Menge hängt von der Oberfläche und den Materialeigenschaften ab. Reflektiertes IR wird nicht in Wärme umgewandelt, während absorbiertes IR direkt in Wärme umgewandelt wird. Das durchgelassene IR wird möglicherweise teilweise in Wärme umgewandelt, abhängig von der Dicke des Ziels und der Menge der Strahlung, die durchgelassen werden kann. Kürzere Wellenlängen sind normalerweise durchlässiger und daher durchdringender, während mittel- und langwellige Infrarotenergie normalerweise weniger eindringt und den größten Teil ihrer Energie in Wärme im Oberflächenmikrobereich umwandelt.

Absorption

In Bezug auf den menschlichen Körper hängt die Resorption stark von den Hautmerkmalen ab. Die Haut absorbiert hauptsächlich aufgrund ihres ungefähren 80-Anteils. Der Wassergehalt hat daher ein Absorptionsspektrum wie Wasser (Robinson 2014). Wie in Abbildung 1 unten zu sehen ist, weisen IR-A und IR-B von den drei biologisch signifikanten Banden im Vergleich zu IR-C eine geringere Absorption auf. Dies bedeutet, dass IR-C und IR-B, die bei längeren Wellenlängen auftreten, von der menschlichen Haut besser absorbiert werden. Dies führte zu einer effizienteren Erwärmung des Menschen über diese Lang- und Mittelwellenbänder. Die Verwendung eines Heizgeräts, das IR-A liefert, heizt die Haut zwar immer noch auf, ist jedoch weniger effizient, da die Haut nicht so gut absorbiert.

Abbildung 1: Absorptionsspektrum von Wasser
Abbildung 1: Absorptionsspektrum von Wasser

Reflexionsvermögen

Haut kann auch IR-Strahlung reflektieren und dies hängt wiederum stark von der Wellenlänge ab. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, weist die Haut ein hohes Reflexionsvermögen in den biologisch signifikanten Banden IR-A auf, und dieses nimmt in den Banden IR-B und IR-C ab und gleicht sich aus.

Abbildung 2: Reflexionsvermögen der menschlichen Haut (hervorgehoben) im Infrarotspektrum
Abbildung 2: Reflexionsvermögen der menschlichen Haut (hervorgehoben) im Infrarotspektrum

Dies bedeutet, dass von der gesamten Infrarotstrahlung, die auf die Haut trifft, ein großer Teil der IR-A-Strahlung (kurzwellige Strahlung) reflektiert wird und daher keine Erwärmung verursacht.

Infrarotstrahlen mit längeren Wellenlängen unterstützen daher vorteilhafterweise eine hohe Absorption und ein geringes Reflexionsvermögen, die zwei wesentliche Eigenschaften sind, die für eine wirksame Erwärmung eines Targets erforderlich sind. Umgekehrt wird Infrarot in den kürzeren Wellenlängen nicht gut absorbiert und von der Hautoberfläche reflektiert.

Transmission

Schließlich kann die Haut auch Strahlung durchlassen und ist wiederum eine Funktion der Wellenlänge. Tatsächlich können für nahes IR (~ 1.2 μm, dh nahe dem Ende von IR-A) ungefähr 65% des IR die Dermis erreichen (Schroeder et al. 2008). Jenseits von 2 μm ist die Haut undurchsichtig. Obwohl die Haut durch IR-A erwärmt wird, wodurch das hohe Reflexionsvermögen der Haut überwunden wird, ist das nahe Infrarot möglicherweise gefährlicher als das mittlere und ferne Infrarot, da es in den Hautbereich eindringen und die Haut schädigen kann größere Verletzung.

Abbildung 3: Spektrale Transmission von menschlichem Gewebe
Abbildung 3: Spektrale Transmission von menschlichem Gewebe

Daher hat biologisch signifikantes IR-C eine hohe Absorption, ein geringes Reflexionsvermögen und ein geringes Transmissionsvermögen, die alle zum Vorteil der Erwärmung der Haut sind, die letztendlich die Wärme durch Diffusion in das kühlere innere Gewebe an das Körperinnere überträgt. Es ist auch das an sich sicherere Wellenband, weshalb Komfort-IR normalerweise auf die längeren Wellenlängen abzielt (bequem im IR-B- und IR-C-Bereich).

Health & Wellbeing

Abgesehen von der direkten Gefahr des Kontakts mit dem heißen Strahler selbst kann hochintensive kurzwellige Infrarotstrahlung zu thermischen Verbrennungen führen, wenn die Haut zu lange zu stark belichtet wird oder das Heizgerät zu nahe am Ziel positioniert ist. Diese Alterungseffekte sind aus Bakers Armen und Gesichtern von Glasbläsern (Cho et al. 2009) bekannt. Augenschäden können über einen längeren Zeitraum auftreten, weshalb Schutzbrillen oder Fristen empfohlen werden (Voke 1999). Das nahe IR ist für die Photoalterung der Haut verantwortlich (Schroeder et al. 2008), wobei die IR-A-Exposition ähnliche biologische Wirkungen wie das UV-Licht hervorruft (Schroeder et al. 2009). Daher sollten nach Möglichkeit IR-B und IR-C als Alternativen verwendet werden, die diese schädlichen Auswirkungen nicht haben.

Angesichts der oben genannten Gründe für die natürlichen Einschränkungen des menschlichen Körpers in Bezug auf IR-A ist es vorteilhafter und weniger schädlich, sich auf die IR-B- und IR-C-Wellenbänder im mittleren Bereich bei Wellenlängen zwischen 3-10 Mikrometern zu konzentrieren. Die spektrale Leistung von Keramikheizkörpern ist daher für solche Aufgaben sehr gut positioniert (siehe Abbildung 4 unten).

Abbildung 4: Spektrales Emissionsprofil von Keramikemittern
Abbildung 4: Spektrales Emissionsprofil von Keramikemittern

Zusammenfassung

Infrarotstrahlung wird abhängig von den Eigenschaften der Oberfläche absorbiert, übertragen oder reflektiert. Bei Menschen oder Tieren ist diese Oberfläche die Haut. Die Haut, die den menschlichen Körper bedeckt, weist Absorptions-, Transmissions- und Reflexionseigenschaften auf, die wahrscheinlich auf die Sonnenexposition zurückzuführen sind. Es haben sich natürliche Abwehrmerkmale wie die günstige Absorption von langwelligem IR und das hohe Reflexionsvermögen von kurzwelligem IR entwickelt. Darüber hinaus haben neuere Studien ergeben, dass kurzwelliges IR (IR-A) die Haut schädigt und zu vorzeitiger Hautalterung führt. Infrarot in den Bändern IR-B und IR-C haben keine derartigen schädlichen Wirkungen und sollten bevorzugt werden.

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Bibliographie

Peter Schroeder, Judith Haendeler, Jean Krutmann, Die Rolle der nahen Infrarotstrahlung bei der Photoalterung der Haut, Experimentelle Gerontologie, Band 43, Ausgabe 7, Juli 2008, Seiten 629-632, ISSN 0531-5565,

Persönliche Korrespondenz. Professor Anthony Robinson, Fakultät für Maschinenbau und Fertigungstechnik, Trinity College, Dublin 2.

Sojun Cho, Mi Hee Shin, Yeon Kyung Kim, Jo-Eun Seo, der junge Mee Lee, der Chi-Hyun Park und Jin Ho Chung, Auswirkungen von Infrarotstrahlung und Wärme auf das Altern der menschlichen Haut in vivo, Journal of Investigative Dermatology Symposium Proceedings (2009) 14, 15-19;

Schroeder P, Calles C, Krutmann J. Verhinderung von durch Infrarot-A-Strahlung vermittelten schädlichen Wirkungen auf die menschliche Haut. Haut-Therapie-Buchstaben. 2009 Jun; 14 (5): 4-5.

Dr. Janet Voke, Strahlungseffekte auf das Auge, Teil 1 - Infrarotstrahlungseffekte auf das Augengewebe, Optometry Today, Mai 1999

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